PL219343B1

PL219343B1 - Method for the estimation of the battery electric charge

Info

Publication number: PL219343B1
Application number: PL392728A
Authority: PL
Inventors: Piotr Bigaj
Original assignee: Przemysłowy Inst Automatyki I Pomiarów Piap
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2015-04-30
Also published as: PL392728A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest system szacowania ładunku elektrycznego baterii, zwłaszcza baterii litowo-jonowych i litowo-polimerowych, stosownych da zasilania układów mobilnych szczególnie robotów mobilnych.The subject of the invention is a system for estimating the electric charge of batteries, especially lithium-ion and lithium-polymer batteries, suitable for powering mobile systems, especially mobile robots.

Baterie stosowane do zasilania układów napędowych i sterujących robotów mobilnych, powinny stanowić niezawodne źródło zasilania, dlatego też bardzo istotne jest szacowanie stanu naładowania baterii.Batteries used to power the driving and control systems of mobile robots should constitute a reliable source of power, therefore it is very important to estimate the state of charge of the battery.

Z opisu zgłoszenia międzynarodowego nr WO 2010/025974 A1 jest znany system szacowania stanu naładowania baterii na podstawie otwartego obwodu napięcia.WO 2010/025974 A1 discloses a system for estimating the state of charge of a battery based on an open voltage circuit.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 195147 B1 Sposób nadzoru baterii polega na dołączeniu do układu wyliczającego zasilania napięciem baterii, zaś do pamięci układu wyliczającego wprowadza się za pomocą klawiatury, w którą jest wyposażony ten układ, parametry nadzorowanej baterii: wartość znamionową prądu bocznika pomiarowego, wartość znamionową pojemności nadzorowanej baterii, wartość aktualną pojemności nadzorowanej baterii, wartość prądu konserwującego nadzorowanej baterii, przy czym do układu zbierającego i przechowującego dane pomiarowe poszczególnych nadzorowanych baterii w układach pomiarowych dołącza się zasilanie napięciem baterii. W układzie do nadzoru baterii w każdym z ośmiu układów pomiarowych do nadzorowanej baterii dołączone są; układy pomiarowo-wyrównawcze napięcia poszczególnych ogniw, bocznik pomiarowy, który jest połączony z wejściem pomiaru prądu układu wyliczającego oraz wejście pomiaru napięcia baterii układu wyliczającego.From the Polish patent specification no. PL 195147 B1, the method of battery supervision consists in connecting the battery voltage supply to the calculating system, and the calculating system's memory is entered into the memory of the calculating system by means of the keyboard with which the system is equipped, the parameters of the monitored battery: rated value of the measuring shunt current, value rated capacity of the monitored battery, the current value of the capacity of the monitored battery, the value of the maintenance current of the monitored battery, with the system collecting and storing the measurement data of individual monitored batteries in the measurement systems being supplied with a battery voltage supply. In the battery supervision system, in each of the eight measurement systems, the monitored battery includes: voltage measurement and equalization systems for individual cells, a measuring shunt connected to the current measurement input of the calculating system and the battery voltage measurement input of the calculating system.

Znane z opisu patentowego EP 0420530 urządzenie do oszacowania pozostałego czasu wyładowania baterii zawiera miernik napięcia sterowany przez realizowany program i przeznaczony domierzenia napięcia baterii oraz miernik natężenia prądu sterowany przez realizowany program i przeznaczony do mierzenia natężenia prądu rozładowania baterii, przy czym oszacowanie czasu wyładowania baterii oparte jest na krzywej wyładowania, podzielonej na część liniową i wykładniczą i pomiarze prostoliniowego odcinka charakterystyki.The device known from EP 0420530 for estimating the remaining discharge time of the battery comprises a voltage meter controlled by an implemented program and intended measurement of the battery voltage and a current meter controlled by the program executed and intended to measure the battery discharge current, the battery discharge time estimate is based on on the discharge curve, divided into linear and exponential parts and measurement of the rectilinear section of the characteristic.

W znanym opisie patentowym WO 91/08494 zastosowano układ, który mierzy kilka parametrów w czasie wyładowania i oblicza, na podstawie algorytmów przechowywanych w postaci tablicy, pojemność pozostałą i czas wyładowania.The known patent specification WO 91/08494 uses a system which measures several parameters during the discharge and calculates, on the basis of algorithms stored in the table form, the residual capacity and the discharge time.

Znany z opisu patentowego US 5 371 682 sposób przewidywania czasu pozostałego do pełnego rozładowania baterii do określonego napięcia końcowego, zrealizowany jest w układzie posiadającym mikroprocesor i obwód sterowania, obwód interfejsowy, łączący mikroprocesor i obwód sterowania z kontrolowanymi bateriami i zawierający czujniki natężenia prądu i napięcia baterii, w którym okresowo mierzy się napięcie i natężenie prądu baterii, a czas wyładowania i pojemność obliczane są na podstawie charakterystyki napięcia w funkcji wykorzystanej pojemności.The method known from the patent description US 5 371 682 for predicting the time remaining until the battery is fully discharged to a specific end voltage, is implemented in a system having a microprocessor and a control circuit, an interface circuit, connecting the microprocessor and a control circuit with controlled batteries, and containing sensors for battery current and voltage. in which the battery voltage and current are measured periodically, and the discharge time and capacity are calculated from the voltage versus capacity used characteristic.

Celem wynalazku jest opracowanie systemu szacowania stanu baterii na podstawie pomiaru i przetwarzania wielu wartości.The object of the invention is to provide a battery condition estimation system based on the measurement and processing of multiple values.

Cel ten zrealizowano przez opracowanie systemu szacowania ładunku elektrycznego baterii, zwłaszcza baterii litowo-jonowych i litowo-polimerowych, zawierającego moduł określający podstawowe parametry baterii, takie jak nominalna pojemność, temperaturowy zakres pracy i prądowy zakres pracy, połączony z modułem wyliczania ładunku elektrycznego baterii, z którym jest połączony moduł bezpośredniego pomiaru napięcia na zaciskach baterii, temperatury baterii oraz prądu płynącego przez baterię, przy czym z modułem wyliczania ładunku elektrycznego baterii jest połączony moduł zawierający dane o poprzednich procesach rozładowywania baterii, takie jak ładunek pobrany z baterii w czasie rozładowywania, średni prąd pobierany z baterii w trakcie rozładowania baterii oraz średnia temperatura z jaką pracowała bateria.This goal was achieved by developing a battery electric charge estimation system, especially lithium-ion and lithium-polymer batteries, containing a module that determines the basic parameters of the battery, such as nominal capacity, temperature operating range and current operating range, combined with the battery electric charge calculation module, which is connected to the module for direct measurement of voltage at the battery terminals, battery temperature and current flowing through the battery, with the module for calculating the electric charge of the battery connected with a module containing data on previous battery discharge processes, such as the charge taken from the battery during discharging, average current taken from the battery when the battery is discharged and the average temperature at which the battery worked.

Moduł określający podstawowe parametry baterii zawiera tor prądowy połączony z modułem zawierającym dane o poprzednich procesach rozładowywania baterii oraz połączony z blokiem określającym przewidywany czas rozładowania baterii, przy czym tor prądowy jest połączony z blokiem współczynnika średniej ważonej, z którym jest połączony tor napięciowy, przy czym blok współczynnika średniej ważonej jest połączony z blokiem określającym stan naładowania baterii.The module determining the basic parameters of the battery comprises a current path connected to a module containing data on previous battery discharge processes and connected to a block determining the predicted time of discharging the battery, the current path being connected to a weighted average factor block to which the voltage path is connected, the block being weighted average factor is linked to the block that determines the state of charge of the battery.

Tor prądowy zawiera układ całkowania sprzężony z modyfikatorem średnioprądowym oraz z układem modyfikatora samorozładowania, przy czym wszystkie te układy są sprzężone z połączonym z czujnikiem temperatury układem modyfikatora średniotemperaturowego, przy czym wyjścieThe current path comprises an integration circuit coupled to a medium-current modifier and a self-discharge modifier circuit, all of which are coupled to a medium-temperature modifier circuit coupled to the temperature sensor, the output being

PL 219 343 B1 modułu prądowego jest połączone z blokiem określającym stan baterii sprzężonym z blokiem przewidywanego czasu rozładowania baterii.The current module is coupled to the battery condition determining block coupled to the battery discharge prediction time block.

Tor napięciowy zawiera, połączone z układem pomiaru napięcia i czasu, układ określający SEM na podstawie modelu matematycznego zjawiska nadpotencjału oraz układ określający SEM na podstawie ekstrapolacji liniowej, sprzężone z blokiem określającym stan naładowania baterii.The voltage path includes, connected with the voltage and time measurement system, a system determining the EMF on the basis of a mathematical model of the overpotential phenomenon and a system determining the EMF based on linear extrapolation, coupled with the block determining the state of charge of the battery.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy systemu, fig. 2 - schemat modułu określającego podstawowe parametry baterii, fig. 3 - schemat toru prądowego modułu określającego podstawowe parametry baterii, a fig. 4 - schemat toru napięciowego modułu określającego podstawowe parametry baterii.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of the system, Fig. 2 - diagram of a module determining the basic parameters of a battery, Fig. 3 - diagram of a current path of a module that determines basic parameters of a battery, and Fig. voltage module that determines the basic parameters of the battery.

System szacowania ładunku elektrycznego baterii, zwłaszcza baterii litowo-jonowych i litowo-polimerowych, zawiera moduł 1 określający podstawowe parametry baterii, takie jak nominalna pojemność C, temperaturowy zakres pracy Tw i prądowy zakres pracy Iw, połączony z modułem 4 wyliczania ładunku elektrycznego baterii. Z modułem 4 wyliczania ładunku elektrycznego baterii jest połączony moduł 3 bezpośredniego pomiaru napięcia V na zaciskach baterii, temperatury baterii T oraz prądu I płynącego przez baterię, przy czym z modułem 4 wyliczania ładunku elektrycznego baterii jest połączony moduł 2 zawierający dane o poprzednich procesach rozładowywania baterii, takie jak ładunek Q pobrany z baterii w czasie rozładowywania, średni prąd I pobierany z baterii w trakcie rozładowania baterii oraz średnia temperatura T z jaką pracowała bateria.The system for estimating the electric charge of batteries, especially lithium-ion and lithium-polymer batteries, includes a module 1 that determines the basic parameters of the battery, such as the nominal capacity C, the temperature operating range Tw and the current operating range Iw, connected with the module 4 for calculating the electric charge of the battery. The module 3 for the direct measurement of the voltage V on the battery terminals, the temperature of the battery T and the current I flowing through the battery is connected to the module 4 for calculating the battery electric charge, while the module 2 containing data on previous battery discharge processes is connected to the module 4 for calculating the battery electric charge, such as charge Q taken from the battery during discharge, average current I drawn from the battery during discharge, and the average temperature T with which the battery operated.

Moduł 1 określający podstawowe parametry baterii zawiera tor prądowy 5 połączony z modułem 2 zawierającym dane o poprzednich procesach rozładowywania baterii oraz połączony z blokiem 9 określającym przewidywany czas rozładowania baterii. Tor prądowy 5 jest połączony z blokiem 7 współczynnika średniej ważonej, z którym jest połączony tor napięciowy 6. Blok 7 współczynnika średniej ważonej jest połączony z blokiem 8 określającym stan naładowania baterii.The module 1 determining the basic parameters of the battery comprises a current path 5 connected to a module 2 containing data on previous battery discharge processes and connected to a block 9 determining the expected discharge time of the battery. The current path 5 is connected to the weighted average factor block 7 to which the voltage path 6. The weighted average factor block 7 is connected to the block 8 determining the state of charge of the battery.

Tor prądowy 5 zawiera układ całkowania 10 sprzężony z modyfikatorem średnioprądowym 13 oraz z układem 12 modyfikatora samorozładowania, przy czym wszystkie te układy są sprzężone z połączonym z czujnikiem temperatury 15 układem modyfikatora średniotemperaturowego. Wyjście modułu prądowego 5 jest połączone z blokiem 8 określającym stan baterii sprzężonym z blokiem 9 przewidywanego czasu rozładowania baterii.The current path 5 comprises an integrator 10 coupled to a medium current modifier 13 and a self discharge modifier 12, all coupled to a medium temperature modifier 15 coupled to a temperature sensor 15. Current module 5 output is connected to a battery condition determining block 8 coupled to a battery predicted discharge time block 9.

Tor napięciowy 6 zawiera, połączone z układem 3** pomiaru napięcia i czasu, układ 16 określający SEM na podstawie modelu matematycznego zjawiska nadpotencjału oraz układ 17 określający SEM na podstawie ekstrapolacji liniowej, sprzężone z blokiem 8 określającym stan naładowania baterii.The voltage path 6 comprises, connected with the voltage and time measurement circuit 3 **, the circuit 16 determining the EMF on the basis of a mathematical model of the overpotential phenomenon, and the circuit 17 determining the EMF based on the linear extrapolation, coupled with the block 8 determining the state of charge of the battery.

System według wynalazku umożliwia określanie stanu naładowania baterii na podstawie wielu parametrów, a także pozwala na uwzględnienie poprzednich przebiegów rozładowania baterii. Dokładne określenie stanu naładowania baterii i przewidywanego czasu jej rozładowania, ma szczególne znaczenie, zwłaszcza w przypadku baterii pracujących w urządzeniach mobilnych sterowanych zdalnie, takich jak roboty mobilne.The system according to the invention makes it possible to determine the state of charge of the battery on the basis of a number of parameters, and also allows to take into account the previous waveforms of discharge of the battery. Accurate determination of the state of charge of the battery and the expected time of its discharge is of particular importance, especially in the case of batteries working in remotely controlled mobile devices, such as mobile robots.

Claims

Patent claims

1. System for estimating the electric charge of batteries, especially lithium-ion and lithium-polymer batteries, characterized in that it includes a module (1) that determines the basic parameters of the battery, such as nominal capacity (C), temperature operating range (T) and current operating range (I), connected to the module (4) for calculating the electric charge of the battery, to which the module (3) is connected to directly measure the voltage (V) at the battery terminals, the temperature of the battery (T) and the current (I) flowing through the battery, with the module (4) for calculating the electric charge of the battery is a connected module (2) containing data on previous battery discharge processes, such as the charge (Q) taken from the battery during discharging, the average current (I) drawn from the battery during the discharge of the battery and the average temperature (T) the battery was working with.

2. The system according to p. The battery according to claim 1, characterized in that the module (1) determining the basic parameters of the battery comprises a current path (5) connected to the module (2) containing data on previous battery discharge processes and connected to a block (9) determining the expected discharge time of the battery, the current path (5) is connected to a weighted average factor block (7) to which the voltage path (6) is connected, the weighted average factor block (7) is connected to a block (8) determining the state of charge of the battery.

PL 219 343 B1

3. The system according to p. A circuit according to claim 2, characterized in that the current path (5) comprises an integration circuit (10) coupled to the medium-current modifier (13) and to the self-discharge modifier circuit (12), all these circuits being coupled to a modifier circuit connected to the temperature sensor (15). medium temperature, the output of the current module (5) being connected to a battery condition determining block (8) coupled to a battery predicted discharge time block (9).

4. The system according to p. 2, characterized in that the voltage path (6) includes, connected to the voltage and time measurement system (3 **), a system (16) that determines the EMF on the basis of a mathematical model of the overpotential phenomenon, and a system (17) that determines the EMF based on linear extrapolation, coupled to the block (8) determining the state of charge of the battery.